Cimentaciones de aerogeneradores instalados en el mar

Cimentaciones de aerogeneradores instalados en el mar
El principal desafío de la energía eólica en el mar son los costes de explotación: el cableado
submarino y las cimentaciones han provocado que hasta hace poco la energía eólica marina fuese una
opción cara.
Sin embargo, las nuevas tecnologías de cimentación y los generadores del orden de megavatios están a
punto de hacer que la energía eólica en el mar sea competitiva con los emplazamientos terrestres, al menos
en aguas de hasta 15 metros de profundidad.
Dado que generalmente la producción de los aerogeneradores marinos es un 50 por ciento mayor que la de
sus vecinos en tierra (en terreno liso), el emplazar los aerogeneradores en el mar puede ser bastante
atractivo (véase la página sobre condiciones eólicas marinas ).
El acero es más barato que el hormigón
Dos compañías de energía danesas y tres empresas de ingeniería llevaron a cabo, durante 1996-1997, un estudio
pionero sobre el diseño y los costes de las cimentaciones de aerogeneradores marinos. El informe concluía que el
acero es mucho más competitivo que el hormigón para grandes parques eólicos marinos.
Parece ser que todas las nuevas tecnologías resultarán económicas hasta los 15 m de profundidad como mínimo, y
posiblemente también a mayores profundidades. En cualquier caso, el coste marginal al desplazarse hacia aguas
más profundas es mucho menor de lo que se estimó en un principio.
Con estos conceptos, los costes de cimentación y de conexión a red para las grandes turbinas de 1,5 MW son sólo
del 10 al 20 por ciento superiores a los correspondientes costes de las turbinas de 450-500 kW utilizadas en los
parques eólicos marinos de Vindeby y Tunø Knob , en Dinamarca.
Vida de diseño de 50 años
Contrariamente a lo que se suele creer, la corrosión no es algo que preocupe especialmente en las construcciones
de acero en el mar. La experiencia de las plataformas petrolíferas marinas ha demostrado que pueden ser
correctamente protegidas utilizando una protección catódica (eléctrica) contra la corrosión.
La protección superficial (pintura) de los aerogeneradores marinos se proporcionará por rutina con una clase de
protección mayor que para las turbinas instaladas en tierra.
Las plataformas petrolíferas marinas se construyen normalmente para durar 50 años. Ésta es también la vida de
diseño de las cimentaciones de acero utilizada en estos estudios.
Turbina de referencia
La turbina de referencia para el estudio es una moderna turbina tripala con el rotor a barlovento y con una altura de
buje de unos 55 metros y diámetro de rotor de alrededor de 64 metros.
La altura de buje de la turbina de referencia es pequeña comparada con las típicas turbinas de ese tamaño
instaladas en tierra. En el norte de Alemania la altura de buje típica de una turbina de 1,5 MW varía de 60 a 80
metros. Debido a que la superficies de agua son muy lisas (baja rugosidad ), resulta rentable utilizar torres más
bajas. Usted mismo puede verificar estas conclusiones utilizando el programa de cálculo de la potencia en un
aerogenerador , en el que ya hay un ejemplo de un aerogenerador marino de 1,5 MW.
La energía en el viento: densidad del aire y área de
barrido del rotor
Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en un par (fuerza de giro)
actuando sobre las palas del rotor. La cantidad de energía transferida al rotor por el viento depende de la densidad
del aire, del área de barrido del rotor y de la velocidad del viento.
La animación muestra cómo una porción cilíndrica de aire de 1 metro de espesor pasa a través del rotor de un
aerogenerador típico de 1.000 kW.
Con un rotor de 54 metros de diámetro cada cilindro pesa realmente 2,8 toneladas, es decir, 2.300 veces 1,225 kg.
Densidad del aire
La energía cinética de un cuerpo en movimiento es proporcional a su masa (o peso). Así, la energía cinética del
viento depende de la densidad del aire, es decir, de su masa por unidad de volumen.
En otras palabras, cuanto "más pesado" sea el aire más energía recibirá la turbina.
A presión atmosférica normal y a 15° C el aire pesa unos 1,225 kilogramos por metro cúbico, aunque la densidad
disminuye ligeramente con el aumento de la humedad.
Además, el aire es más denso cuando hace frío que cuando hace calor. A grandes altitudes (en las montañas) la
presión del aire es más baja y el aire es menos denso.
Area de barrido del rotor
Un aerogenerador típico de 1.000 kW tiene un diámetro del rotor de 54 metros, lo que supone un área del rotor de
unos 2.300 metros cuadrados. El área del rotor determina cuanta energía del viento es capaz de capturar una
turbina eólica. Dado que el área del rotor aumenta con el cuadrado del diámetro del rotor, una turbina que sea dos
veces más grande recibirá 2 2 = 2 x 2 = cuatro veces más energía. La página sobre tamaño de los aerogeneradores
le proporcionará más detalles.
El efecto del parque
Tal y como se vio en la sección anterior sobre el efecto de la estela , cada aerogenerador
ralentizará el viento tras de sí al obtener energía de él para convertirla en electricidad.
Por tanto, lo ideal sería poder separar las turbinas lo máximo posible en la dirección de
viento dominante. Pero por otra parte, el coste del terreno y de la conexión de los
aerogeneradores a la red eléctrica aconseja instalar las turbinas más cerca unas de otras.
Distribución en planta del parque
Como norma general, la separación entre aero- generadores en un parque eólico es de 5 a 9
diámetros de rotor en la dirección de los vientos dominantes, y de 3 a 5 diámetros de rotor
en la dirección perpendicular a los vientos dominantes.
En este dibujo se han situado 3 filas de cinco turbinas cada una siguiendo un modelo
totalmente típico.
Las turbinas (los puntos blancos) están separadas 7 diámetros en la dirección de viento
dominante y 4 diámetros en la dirección perpendicular a la de los vientos dominantes.
Pérdida de energía debida al efecto del parque
Conociendo el rotor de la turbina eólica, la rosa de los vientos , la distribución de Weibull y
la rugosidad en las diferentes direcciones, los fabricantes o proyectistas pueden calcular la
pérdida de energía debida al apantallamiento entre aerogeneradores.
La pérdida de energía típica es de alrededor del 5 por ciento.
Condiciones eólicas marinas
Aerogenerador marino de 500 kW en Tunø Knob (Dinamarca). Fotografía © 1996
Vestas Wind Systems A/S
Condiciones eólicas en el mar
Las superficies de mares y lagos son obviamente muy lisas, por lo que la rugosidad de
la superficie marina es muy baja (a velocidades del viento constantes). Con velocidades
de viento crecientes, parte de la energía se emplea en producir oleaje, lo que implica un
aumento de la rugosidad. Una vez se han formado las olas, la rugosidad decrece de
nuevo. Por tanto tenemos una superficie de rugosidad variable (lo mismo ocurre en
zonas cubiertas con más o menos nieve).
Sin embargo, si generalizamos, puede considerarse que la rugosidad de la superficie del
agua es muy baja y que los obstáculos del viento son pocos. Al realizar los cálculos
deberán tenerse en cuenta islas, faros, etc. tal y como se tendrían en cuenta los
obstáculos situados en la dirección de donde viene el viento o los cambios de rugosidad
en la tierra.
Bajo cizallamiento del viento implica menor altura de buje
Con una baja rugosidad, el cizallamiento del viento en el mar es también muy bajo, lo
que implica que la velocidad del viento no experimenta grandes cambios al variar la
altura del buje del aerogenerador. Así pues, puede resultar más económico utilizar
torres más bien bajas, de alrededor de 0,75 veces el diámetro del rotor, en
aerogeneradores emplazados en el mar, dependiendo de las condiciones locales
(normalmente, las torres de los aerogeneradores situados en tierra miden un diámetro
de rotor, o incluso más).
Aerogenerador marino
de 500 kW en Tunø
Knob (Dinamarca).
Fotografía © 1996
Vestas Wind Systems
A/S
Baja intensidad de las turbulencias = mayor tiempo de vida de los aerogeneradores
El viento en el mar es generalmente menos turbulento que en tierra, por lo que en un aerogenerador situado en el
mar se puede esperar un tiempo de vida mayor que en otro situado en tierra.
La baja turbulencia del mar se debe, ante todo, al hecho de que las diferencias de temperatura a diferentes
altitudes de la atmósfera que hay sobre el mar son inferiores a las que hay sobre la tierra. La radiación solar puede
penetrar varios metros bajo el mar mientras que en tierra la radiación solar sólo calienta la capa superior del suelo,
que llega a estar mucho más caliente.
Consecuentemente, las diferencias de temperatura entre la superficie y el aire serán menores sobre el mar que
sobre la tierra. Esto es lo que provoca que la turbulencia sea menor.
Condiciones del abrigo del viento en el mar
El modelo convencional WAsP usado para la modelización del viento en tierra está siendo modificado para poder ser
utilizado en la modelización de condiciones de viento en el mar, según su promotor, el 'Riso National Laboratory'.
Los principales resultados obtenidos de la experiencia del principal parque eólico en Vindeby (Dinamarca) y del
construido posteriormente en Tunø Knob (Dinamarca) han conducido a nuevas investigaciones con anemómetros
situados en diferentes emplazamientos a lo largo del litoral danés desde 1996.
Los resultados preliminares indican que los efectos del abrigo del viento desde tierra pueden ser más importantes,
incluso a distancias de 20 km., de lo que en un principio se había pensado.
Por otro lado, parece que los recursos eólicos marinos pueden ser del 5 al 10 por ciento superiores a los estimados
en un principio.
Investigación sobre la energía eólica en el mar
Parque eólico
marino de Vindeby
Fotografía © 1992
Bonus Energy A/S
Aerogeneradores del tamaño de
megavatios, cimentaciones más baratas y nuevos conocimientos sobre las
condiciones eólicas en el mar están mejorando la economía de la energía
eólica marina.
Cuando ya está resultando económica en las buenas localizaciones
terrestres, la energía eólica está a punto de cruzar otra frontera: la frontera
económica marcada por la línea de costa. Los investigadores y proyectistas
están a punto de desafiar el saber convencional sobre tecnologías de
generación de electricidad: la energía eólica en el mar está siendo rápidamente
competitiva con las otras tecnologías de producción de energía.
El plan 21 danés
De acuerdo con el "Plan de acción sobre energía del gobierno danés, Energía
21" (ver la página de enlaces ), 4.000 MW de energía eólica serán instalados
en emplazamientos marinos antes del año 2030. Con otros 1.500 MW
instalados en tierra, Dinamarca será capaz de cubrir más del 50 por ciento del
consumo total de electricidad con energía eólica. En comparación, la
capacidad actual de potencia eólica en Dinamarca es de 1.100 MW (a
mediados de 1998).
Un total de 5.500 MW de potencia eólica en el sistema eléctrico danés
significa que los aerogeneradores cubrirán periódicamente más del 100 por
cien de la demanda de electricidad en Dinamarca. Así pues, las plantas
generadoras en el mar deberán estar integradas dentro del sistema escandinavo
de electricidad, basado en una enorme proporción de energía hidroeléctrica.
Con una inversión total de alrededor de 48.000 millones de coronas danesas
(7.000 millones de dólares americanos) para los 4.000 MW de capacidad en el
mar, el plan de acción danés representará la mayor inversión en energía eólica
que se haya hecho nunca en el mundo.
Calendario marino en Dinamarca
Las compañías danesas de energía ya han solicitado licencias de construcción
para 750 MW de parques eólicos marinos. De acuerdo con su calendario, más
de 4.000 megavatios de potencia serán instalados en el mar antes del 2027 en
Dinamarca. Probablemente el primer paso sea un parque eólico más pequeño
de 40 MW justo en la costa de Copenhague.
Un informe redactado por las compañías danesas de energía para el
Ministro de Energía y Medio Ambiente identifica cuatro áreas principales en
el territorio marino danés idóneas para la producción de energía eólica, con un
potencial de 8.000 MW. La filosofía seguida en la elección de las áreas es bien
sencilla: por razones medioambientales el Comité ha concentrado la capacidad
en unas pocas áreas remotas, con una profundidad del agua entre 5 y 11
metros.
Las áreas han sido elegidas evitando zonas protegidas, rutas de navegación,
enlaces por microondas, áreas militares, etc. Esto también limita el impacto
visual en tierra.
Las investigaciones más recientes sobre cimentaciones indican que puede
ser económico instalar turbina marinas incluso a 15 metros de profundidad del
agua, lo que significa que el potencial en el mar está alrededor de los 16.000
MW en las áreas seleccionadas de las aguas danesas.
Substation and grid connection
The produced power is fed to a substation to be built by Eltra. After stepping-up to 150 kV, the power is
conveyed to shore. The substation platform is designed as a tripod construction with a steel building
with a surface area of approx. 20 x 28 m, placed some 14 m above mean sea level. Among others, the
platform accommodates the following technical installations:
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36 kV switch gear
36/150 kV transformer
150 kV switch gear
Control and instrumentation system, and communication unit
Emergency diesel generator, incl. 2 x 50 tonnes of fuel
Sea water-based fire-extinguishing equipment
Staff and service facilities
Helipad
Crawler crane
MOB boat (Man Over Board)
Substation model
Cables to the onshore grid
A trenched sub-marine cable connects the Horns Rev offshore wind farm to the onshore grid. The submarine cable is installed by Eltra who are in charge of making the produced power available to the grid.
Triple-core 150 kV cables with sub-marine armouring is used.